《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic properties and dielectric properties of CoFeB/ZnTe/CoFeB composite films
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摘要高性能、可调谐的毫米波和亚太赫兹介质的发展仍受到传统材料中介电响应、损耗和磁灵活性之间内在权衡的限制。在本研究中，通过磁控溅射技术制备了CoFeB/ZnTe/CoFeB夹心复合薄膜，并对其微观结构、形态、磁性和介电性能进行了系统研究。这些薄膜保持了非晶态结构，并具有出色的表面
摘要
高性能、可调谐的毫米波和亚太赫兹介质的发展仍受到传统材料中介电响应、损耗和磁灵活性之间内在权衡的限制。在本研究中，通过磁控溅射技术制备了CoFeB/ZnTe/CoFeB夹心复合薄膜，并对其微观结构、形态、磁性和介电性能进行了系统研究。这些薄膜保持了非晶态结构，并具有出色的表面光滑度，在50纳米厚的ZnTe层时平均粗糙度最低可达11.8纳米。随着ZnTe厚度的增加，饱和磁化强度从20.5埃姆/立方厘米单调递减至8.8埃姆/立方厘米，而矫顽力则表现出非单调依赖性，在10纳米时达到最低值210奥，100纳米时达到最高值1800奥。50纳米ZnTe样品在75-110 GHz频段内的高介电常数为17.5，这归因于最大化的马克斯韦尔-瓦格纳界面极化效应。夹心结构有效分离了介电和磁损耗机制，克服了单相材料中的内在矛盾，使CoFeB/ZnTe/CoFeB复合材料成为毫米波器件、可调谐调制器和小型集成电路的理想平台。
引言
毫米波和亚太赫兹应用的迅速扩展，从无线通信到量子信息处理，推动了对高性能、可调谐功能材料的需求。[1],[2],[3] 在这些应用中，毫米波/亚太赫兹频段的复杂介电常数（实部：介电常数；虚部：损耗）决定了波的传播、吸收、调制和共振。[4],[5] 它直接决定了调制器、滤波器、超材料和传感设备的效率和性能。然而，传统介电材料在毫米波和亚太赫兹频段的响应较弱且可调谐性较差，而标准金属结构则受到高欧姆损耗的严重影响，严重限制了设备的集成度和多功能性。[6],[7]
在这种背景下，探索同时具备强电磁响应、低损耗和外部可控性的新型复合薄膜系统成为克服这些限制的关键。由铁磁金属和宽带隙半导体组成的异质结构兼具铁磁金属和半导体的特性，是一种具有多种功能的磁异质结[8],[9],[10],[11]。铁磁金属具有高自旋极化率和优异的热稳定性，被广泛用于自旋电子器件。半导体金属不仅具有优良的光电性能，还充当高质量的非磁屏障层，在界面处能够诱导显著的自旋-轨道耦合和电荷-自旋转换效应。在毫米波和亚太赫兹范围内，这种结构的介电响应不仅由单个组分决定，还受到多种因素的协同作用，包括界面电荷分布、自旋依赖的极化、载流子松弛和磁电耦合。最近的研究探索了各种复合结构以调整磁性和介电性能。之前的研究广泛探讨了磁介电复合材料以提升设备性能。例如，氧化物包层的CoFeB/MgO薄膜展示了增强的垂直磁各向异性和高介电常数，为电压控制的自旋电子器件带来了前景[12]。类似地，基于聚合物的纳米复合材料（如NiFe2O4-PVDF）因其同时具备软铁磁性和介电行为而被研究[13]。此外，W/CoFeB/W之类的夹心结构在调节磁光性质（如克尔旋转角）方面被证明是有效的[14]，而正交铁氧体薄膜的介电测量成功探测了自旋重定向等基本磁现象，证实了强磁电耦合[15]。然而，尽管取得了这些进展，针对太赫兹应用的铁磁/半导体夹心复合薄膜的具体研究仍然是该领域的一个关键空白。与近期文献中报道的传统双层铁磁薄膜[16],[17]主要展示标准介电性能不同，我们的研究引入了半导体中间层，从根本上改变了传输机制。这种独特设计通过界面隧穿效应促进了显著的电子传输响应，为高频设备应用提供了新的途径，这在之前的氧化物或聚合物基系统中尚未完全实现。CoFeB薄膜具有高的饱和磁化强度和可调谐的磁各向异性，能够高效注入自旋极化载流子[18],[19]。ZnTe薄膜具有优异的光电性能，其直接带隙与太赫兹波的能量范围相匹配[20],[21]。对这种夹心结构的研究旨在将CoFeB的铁磁性与ZnTe的光电和自旋相关性质结合起来，从而创建出电可调或磁可调的太赫兹器件。因此，系统研究CoFeB/ZnTe/CoFeB复合薄膜在毫米波和亚太赫兹频段的介电常数具有重要的科学意义和实用价值。
目前，关于毫米波和亚太赫兹频段内CoFeB/ZnTe/CoFeB薄膜等磁半导体异质结构的介电性能的研究仍然有限。特别是，缺乏关于频率依赖的复介电常数、界面贡献和磁场可调性的系统表征。这项工作结合了微观结构分析，旨在全面阐明这些薄膜的介电响应，从而填补关键数据空白，并推动功能磁电复合材料在毫米波和亚太赫兹技术中的应用。
节片段
实验
CoFeB/ZnTe/CoFeB复合薄膜是在硅晶圆上使用FJL560-B4磁控溅射设备制备的。首先在硅晶圆上沉积50纳米厚的CoFeB薄膜，然后沉积不同厚度的ZnTe薄膜（10、50、100、150、200纳米），最后再次沉积50纳米厚的CoFeB薄膜。沉积ZnTe薄膜时，腔室压力为2.2帕，溅射功率为150瓦，氩气流量为25桑科尔/分钟。沉积CoFeB薄膜时，腔室压力为2.1帕，...
结构和形态
图1显示了CoFeB/ZnTe/CoFeB复合薄膜的XRD图谱。随着ZnTe薄膜厚度的增加，样品呈现非晶态。没有明显的衍射峰表明缺乏长程有序性[22],[23]。在XRD谱中，有两个相对尖锐且强度较高的衍射峰，它们都属于硅基底的峰。硼有助于将晶体钴铁合金转化为非晶态结构（CoFeB）...
结论
在本研究中，成功地在硅基底上制备了CoFeB/ZnTe/CoFeB复合薄膜。虽然不同厚度下的微观结构均匀性保持良好，但电磁响应明显依赖于中间层的尺寸，这种依赖性由多种物理机制共同决定。具体而言，含有50纳米ZnTe中间层的复合薄膜获得了17.5的高介电常数，这归因于界面极化的最大化...
CRediT作者贡献声明
郭永斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。王涛：形式分析，数据管理。刘凌宇：实验研究。王忠敏：资金争取。马雷：软件开发。裴超群：方法论。陆国栋：软件支持。史来增：软件协助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0718304）的支持。
郭永斌|王涛|刘凌宇|王忠敏|马雷|裴超群|陆国栋|史来增
山东理工大学自动化学院（山东省科学院），济南，山东250014，中国
